Article paru en juin 2006Les micro-écoulements scrutés à quelques microns près
Avec une source X à micro-foyer et un capteur spécifique, une équipe CEA/List observe des micro-écoulements à une résolution inégalée à travers des parois opaques. Déjà utilisé par l'industrie automobile, cet outil ouvre des possibilités inédites à de nombreux domaines : piles à combustible, micro-réacteurs, labs-on-chip, électronique de puissance, etc.
Quelle est la structure interne d'un injecteur de moteur diesel, sachant qu'elle conditionne la forme du spray de carburant? Où l'eau est-elle produite dans une pile à combustible,comment s'y répartit-elle ? Comment garantir qu'un lab-on-chip ne contient aucun liquide résiduel après chaque analyse? Peut-on améliorer le rendement des micro-caloducs qui refroidissent les circuits électroniques de puissance? A ces questions et à beaucoup d'autres, les outils de micro-tomographie X du CEA/List apportent des réponses inédites, tant par leur précision que par leur champ d'investigation.
"Ces exemples relèvent d'une problématique de micro-écoulement, non résolue par la mécanique des fluides aux échelles conventionnelles, explique Samuel Legoupil, du CEA/List. Les fluides s'écoulent dans des canaux de moins de 200 microns de diamètre où les forces de capillarité l'emportent sur la gravité. Pour observer, modéliser et optimiser, il faut s'affranchir des problèmes d'opacité de parois et descendre à des résolutions de quelques microns, voire moins".
L'outil associe un générateur X et un capteur pixélisé, MEDIPIX 2, développé dans le cadre d'une collaboration autour du CERN avec une vingtaine de partenaires. Le bruit de détection est réduit au minimum et le rapport d'agrandissement est excellent : l'objet à observer, dont la taille peut atteindre quelques centaines de micromètres, peut être placé à moins de 2 mm de la source contre 200 mm pour le capteur. En multipliant les projections 2D autour de l'objet et en utilisant des algorithmes de reconstruction, on obtient des images statiques 3D d'une résolution de quelques microns.
"A titre d'exemples, nous mettons en évidence les corrélations entre la géométrie d'un microcanal et l'importance des effets de bord*; nous mesurons l'angle de contact entre un liquide et une surface afin d'estimer les tensions superficielles; nous suivons la cinétique de l'eau dans des mousses métalliques, etc". Les développements logiciels réalisés permettent d'observer des objets présentant de forts rapport de forme; par exemple, un parallélépipède dont les deux arêtes sont dix fois supérieures à l'épaisseur, ce qui ne peut pas être traité par des algorithmes conventionnels.
Opérationnelle depuis la mi-2005, la technique continue à faire l'objet d'améliorations. Les deux plus ambitieuses portent sur la résolution temporelle ("nous espérons monter à des fréquences d'acquisition de plusieurs centaine d'images par seconde") et sur l'imagerie multirésolution, qui permettrait d'obtenir une très bonne résolution sur une zone d'intérêt d'un objet volumineux sans avoir à "l'observer" dans son intégralité. Le CEA/List propose également des collaborations aux industriels soucieux de voir leurs produits sous un regard nouveau.
* le liquide se diffuse plus vite sur les parois du canal qu'en son centre
